Wat we wel en niet weten over de aarde-achtige planeten in het Trappist-stelsel

Op 39 lichtjaar van ons vinden we een klein zonnestelsel: TRAPPIST-1. Centraal in het stelsel zit een koele rode dwerg die dezelfde naam als het systeem draagt. Rond de kleine ster ontdekten astronomen zeven planeten in zeven verrassend dicht op elkaar geplakte banen: TRAPPIST-1a staat het dichtst bij de ster op 0,01 AU, TRAPPIST-1h het verst met een afstand van 0,06 AU. AU staat voor Astronomical Unit en komt overeen met de gemiddelde afstand van het midden van onze aarde tot de zon. De zeven ontdekte werelden staan dus een stuk dichter bij hun ster, al gaat een vergelijking met de aarde niet helemaal op: TRAPPIST-1 is immers een stuk kleiner dan de zon met ongeveer 8% van de massa.

Dankzij de compactheid van het zonnestelsel zitten de zeven planeten rond de ‘goldilock zone’: het gebied rond een ster waar vloeibaar water kan bestaan. De zeven planeten zijn net als de aarde rotsachtig en hebben een gelijkaardig formaat als de aarde. De kleinste heeft een omvang van 75% van onze planeet, de grootste 110%. De dichtheid is eveneens erg gelijkaardig en gaat van 60% tot 117% van de dichtheid van de aarde. De ontdekking maakt astronomen wereldwijd weinig verrassend enthousiast.

Belgische Trappist

Dat er een Belg iets te maken heeft met het project, zou de naam TRAPPIST moeten verklappen. Zoals alles in de ruimtewetenschap is TRAPPIST een aan de haren getrokken acroniem dat staat voor TRAnsiting Planets and PlanetesImals Small Telescope, een telescoop in Chili die door ons land werd gesponsord. Hoofdonderzoeker voor deze specifieke ontdekking is professor Michaël Gillon van de universiteit van Luik. Zijn team ontdekte in mei vorig jaar al drie exoplaneten rond TRAPPIST-1 met de hulp van de telescoop. De ontdekking gaf aanleiding tot verdere observatie van het zonnestelsel. TRAPPIST, de Very Large Telescope in Paranal, de NASA Spitzer Space Telescope en nog enkele andere observatoria hielden de ster bijna een maand lang nauwlettend in de gaten op zoek naar meer informatie over de samenstelling van het zonnestelsel.

Dat de observatie zou leiden tot de ontdekking van zeven planeten met aarde-allures, had niemand verwacht. De onderzoekers kunnen de planeten op een afstand van 40 lichtjaar ontdekken door met erg gevoelige apparatuur naar de ster te turen. Als een exoplaneet tussen zijn ster en een observatorium passeert, gaat de helderheid van die ster een klein beetje achteruit. De grootte van de helderheidsdipjes in combinatie met de frequentie er van vertelden de astronomen het formaat en de baan van de planeten. Op planeet a na hebben de ontdekte exoplaneten een jaar dat minder dan twaalf aardse dagen duurt.

Zwaartekracht

De onderzoekers zagen de meeste planeten dus meermaals voorbij de zon passeren. Door de metingen nauwkeurig te timen en de invloed van de zwaartekracht van de andere hemellichamen in rekening te brengen, konden ze de massa van de eerste zes planeten afleiden. Hun banen zitten immers dicht genoeg bij elkaar dat de zwaartekracht van de ene planeet de baan van de andere beïnvloedt.

De astronomen kennen zo het formaat en de dichtheid van de zeven exoplaneten, waardoor ze kunnen concluderen dat het om rotsachtige hemellichamen gaat met een samenstelling die op die van de aarde moet lijken. De afstand van TRAPPIST-1 vertelt de wetenschappers dan weer hoeveel energie ze ontvangen van hun ster. Dat kunnen ze vertalen naar een voorzichtige schatting over de temperatuur. In theorie kunnen ze alle zeven vloeibaar water op hun oppervlak bevatten.

De werkelijke temperatuur kennen de onderzoekers niet. Ze gaan uit van een atmosfeer die gelijkaardig is aan die van de aarde maar dat  is voorlopig niet meer dan een gok. De invloed van de temperatuur op het klimaat is immens. Kijk maar naar respectievelijk Venus en Mars. Als aliens van TRAPPIST-1 ons sterrenstelsel zouden bestuderen, zouden ze concluderen dat beide planeten potentieel bewoonbaar zijn. Een gebrekkige magnetosfeer zorgde er echter voor dat de atmosfeer van Mars grotendeels de ruimte in is gekatapulteerd door zonnestormen, terwijl de dichte atmosfeer van Venus voor een moordend broeikaseffect zorgt.

De huidige observaties vertellen ons dus dat er zeven planeten zijn met een formaat en een samenstelling die sterk op die van de aarde lijkt. Ze draaien in een baan rond een kleine ster op een afstand waar de energie-output van die ster volstaat om vloeibaar water mogelijk te maken, zonder te warm te zijn.

James Webb

De vergaarde informatie vertelt ons niets over de aanwezigheid en eventuele samenstelling van een atmosfeer. Om in te schatten of één van de zeven hemellichamen echt lijkt op een zuster-aarde, moeten astronomen meer ontdekken. Daarvoor hebben ze extreem gevoelige telescopen nodig. Die moeten het licht opvangen dat doorheen de atmosfeer van een planeet heeft gereisd. Verschillende elementen in de lucht absorberen verschillende golflengtes van dat licht. Door heel nauwkeurig te analyseren welke golflengtes ontbreken in licht dat door pakweg de atmosfeer van TRAPPIST-1d is gereisd, kunnen onderzoekers deduceren welke elementen aanwezig zijn in die atmosfeer. De James Webb-ruimtetelescoop, die in 2018 wordt gelanceerd, is in theorie gevoelig genoeg.

Blijkt één van de planeten een atmosfeer te bevatten die lijkt op die van onze aarde, dan is het eenvoudiger om iets te zeggen over de temperatuur. Zit die snor, dan is de kans extreem groot dat er vloeibaar water op het oppervlak te vinden is. Water is immers één van de meest voorkomende elementen in het universum.

Pittige reistijd

Voorlopig is het dus niet de moeite om een enkel ticketje naar het TRAPPIST-1-stelsel te kopen. De kans dat de zeven ontdekte planeten ijskoud of kokend heet zijn, moordend dichte atmosferen hebben of net helemaal niet omgeven zijn door gas, is reëel. Bovendien zou de reis best lang duren. Het New Horizons-ruimtetuig dat ons in 2015 de eerste scherpe beelden van Pluto bezorgde, is het snelste tuig ooit door mensenhanden gemaakt. New Horizons heeft de aarde verlaten aan een snelheid van 58.536 km/u. Aan die snelheid zou een ruimtetuig ongeveer 513 miljoen kilometer per jaar afleggen. Omgerekend komt dat neer op 0,005 procent van één lichtjaar. Gaan we uit van een constante snelheid, dan zou New Horizons ongeveer 720.000 jaar nodig hebben om TRAPPIST-1 te bereiken. Voor een dergelijke reis pak je best een goed boek mee.

Moest één van de planeten een aarde-achtige atmosfeer en temperatuur bevatten, dan wil dat niet zeggen dat we meteen zelf een kijkje kunnen nemen. Daarvoor kijken we best dichter bij huis. Rond Proxima Centauri, amper 4,2 lichtjaar van ons verwijderd, woont een planeet die eveneens het potentieel heeft om leven te ondersteunen.

Belang

De ontdekking van de zeven TRAPPIST-planeten is desalniettemin nauwelijks te onderschatten. Onderzoekers kunnen hun telescopen nu richten op een extreem compact stelsel met zeven planeten. De astronomen vergelijken het stelsel met onze planeet Jupiter en haar manen. Door de kleine onderlinge afstanden en de snelheid waarmee de planeten hun baan om de zon afwerken, is het mogelijk een schat aan informatie af te leiden, gewoon door te kijken.

Emanuel Jehin, mede-onderzoeker in het team van Michaël Gillon, werkt momenteel aan een opvolger van TRAPPIST. Die zal uit vier robotische telescopen bestaan en tien keer meer rode dwergen kunnen analyseren dan zijn voorganger. De hoop is om zo meer TRAPPIST-achtige systemen te vinden. Het lijkt er steeds meer op dat aarde-achtige planeten meer regel dan uitzondering zijn. Het nieuwe project krijgt de naam Search for habitable Planets EClipsing Ultra-cOOl-Stars. Zeg maar SPECULOOS.

Update 23/02 19u: 720 jaar voor een trip van 39 lichtjaar was wat optimistisch. 720.000 jaar is een betere benadering.